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6 장 무선과 이동 네트워크

6 장 무선과 이동 네트워크. 무선 (wireless) 6.2 무선 링크 특징 6.3 IEEE 802.11 wireless LANs (“wi-fi”) 6.4 셀룰러 망 구조 표준 CDMA. 이동 (mobility) 6.5 주소관리와 라우팅 6.6 이동 IP 6.7 셀룰러 망에서의 이동 6.8 이동성이 상위 계층에 미치는 영향. Chapter 6 목차. 대표 무선 표준 기술의 비교. 200. 802.11n. 54. 802.11a,g. 802.11a,g point-to-point. data.

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6 장 무선과 이동 네트워크

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  1. 6장무선과 이동 네트워크

  2. 무선(wireless) 6.2 무선 링크 특징 6.3 IEEE 802.11 wireless LANs (“wi-fi”) 6.4셀룰러 망 구조 표준 CDMA 이동(mobility) 6.5주소관리와 라우팅 6.6이동 IP 6.7셀룰러 망에서의 이동 6.8이동성이 상위 계층에 미치는 영향 Chapter 6 목차

  3. 대표 무선 표준 기술의 비교 200 802.11n 54 802.11a,g 802.11a,g point-to-point data 5-11 802.11b 802.16 (WiMAX) 3G cellular enhanced 4 UMTS/WCDMA-HSPDA, CDMA2000-1xEVDO Data rate (Mbps) 1 802.15 .384 3G UMTS/WCDMA, CDMA2000 2G .056 IS-95, CDMA, GSM Indoor 10-30m Outdoor 50-200m Mid-range outdoor 200m – 4 Km Long-range outdoor 5Km – 20 Km 6: Wireless and Mobile Networks

  4. infrastructure 기반 • 베이스 스테이션(base station) 존재 • 핸드오프(handoff): 모바일 호스트가 베이스 스테이션을 변경할 때 network infrastructure Infrastructure 기반 무선 네트워크 Mobile host Base station 6: Wireless and Mobile Networks

  5. Ad hoc 무선 네트워크 ad hoc 기반 • base stations 없음 • 노드들은 스스로 라우팅을 해야 한다.

  6. Single hop과 multiple hops 비교 multiple hops single hop • -호스트는 여러 노드를 • 거쳐 인터넷에 연결될 수 • 있다. • Base station에 도달하기 • 전까지는 ad hoc 네트워크 • - mesh net -호스트는 base 스테이션에 연결 (WiFi, WiMAX, cellular) -Base 스테이션은 공중 Internet에 연결 infrastructure • Base station 없음 • -완전한 자체 독립된 망으로 • 구성될 수 있다. • - MANET, VANET Ad hoc -base station 없음. -공중 Internet에 연결되지 않음 6: Wireless and Mobile Networks

  7. 무선 링크의 특징(1) 유선 링크와의 차이점 • 신호 강도의 감소:신호가 전파되면서 강도가 약해진다.(path loss) • 다른 소스의 간섭:다른 장치(전화, 모터 등)와 주파수를 공유한다.(특히 2.4 GHz) • 다중경로 전파(multipath propagation):전자파는 물체에 반사하여 다른 경로를 통해 목적지에 도달한다. 6: Wireless and Mobile Networks

  8. 무선 링크의 특징(2) 10-1 • SNR: signal-to-noise ratio • BER: Bit Error Rate • SNR과 BER의 관계: tradeoff • 물리계층이 고정되면: • 전력 증가 -> SNR 증가->BER 감소 • SNR이 고정되면: • 요구하는 BER을 만족시키는 물리 계층 선택 • SNR은 이동에 따라서 변할 수 있다: 이에 따라 물리계층의 modulation 기술의 변경으로 전송 속도 조절 10-2 10-3 10-4 BER 10-5 10-6 10-7 10 20 30 40 SNR(dB) QAM256 (8 Mbps) QAM16 (4 Mbps) BPSK (1 Mbps) 6: Wireless and Mobile Networks

  9. B A C C C’s signal strength A’s signal strength B A space 무선망의 특징 무선 호스트들은 다중 접속(MAC) 문제이외에다른 문제를 발생시킨다. Hidden terminal problem • B, A는 서로 신호를 수신 • B, C는 서로 신호를 수신 • A, C는 서로 신호 수신 불가능, 따라서 A와 C는 B에 미치는 영향을 알지 못한다. Signal 감소: • B, A는 상호 신호 감지 • B, C 는 상호 신호 감지 • A, C는 B에 미치는 간섭을 알지 못한다. 6: Wireless and Mobile Networks

  10. 6.1개요 Wireless 6.2 무선 링크의 특징 6.3 IEEE 802.11 무선 LANs (“wi-fi”) 6.4셀룰러 망 구조 표준 CDMA Chapter 6 목차 6: Wireless and Mobile Networks

  11. 802.11b 2.4-5 GHz 비인가(unlicensed) 주파수 대역 사용 속도는 11 Mbps까지 물리계층 코딩: direct sequence spread spectrum (DSSS) 802.11a 5-6 GHz range up to 54 Mbps 802.11g 2.4-5 GHz range up to 54 Mbps 802.11n: multiple antennae 2.4-5 GHz range up to 200 Mbps IEEE 802.11 무선 LAN • 모두 CSMA/CA MAC을 사용한다. • 모두 infrastructure 기반과 ad hoc 방식을 지원한다. 6: Wireless and Mobile Networks

  12. Radio Communication Band 400 900 Light wave Infrared

  13. Spectrum for 470MHz – 6GHz WRC2000 resolution 223 TV => Reallocation WRC2000 optional 470MHz 698MHz 806MHz 1.71G -1.885G 1.98G-2.02G-2.025G 894M-960M Cellular CT GMPCS PCS IMT2000 (Uplink) IMT2000 (MSS uplink) (TDD) (TDD) IMT2000 (Downlink) 806M-894M 1.53G-1.66G 1.90G -1.92G - 1.98G 2.11G - 2.17G 3G 2.17G-2.2G 2.4G-2.48G 2.7G-2.9G 5.47G-5.725G IMT2000 (MSS Downlink) WLL WLAN (802.11b Bluetooth) GMPCS IMT2000 (New) WLAN (HIPER LAN/1) WLAN (HIPER LAN/2) WLAN (802.11a) 2.5G-2.69G 2.3G-2.4G 2.16G-2.2G 5.725G-5.875G 5.15G-5.35G

  14. 주파수 대역 • ISM(Industrial, scientific, medical) 대역 사용: 허가를 받지 않아도 되는 대역

  15. AP AP Internet 802.11 LAN 구조 • 무선 호스트는 base station과 통신 • base station = access point (AP) • Basic Service Set (BSS): infrastructure 기반의 경우 • 무선 호스트 • 엑세스 포인트 (AP): base station hub, switch or router BSS 1 BSS 2 6: Wireless and Mobile Networks

  16. 802.11의 채널 • 802.11b: 2.4GHz-2.485GHz 스펙트럼을 11 channel로 나누어 사용 • AP는 11개 채널 중 하나를 선택 • 이웃하는 AP가 동일한 채널을 사용할 경우 신호 간섭 발생 • 무선 호스트 • 채널을 스캔하여 AP의 이름(SSID)과 MAC 주소를 포함하고 있는 beacon frame을 수신한다. • 통신에 사용할 AP를 선택(association) • 인증(authentication)을 수행할 수 있다. • DHCP를 사용하여 IP 주소를 얻는다. 6: Wireless and Mobile Networks

  17. 4 2 2 2 3 3 1 1 1 802.11: 수동/능동 스캐닝 BBS 1 BBS 1 BBS 2 BBS 2 AP 1 AP 1 AP 2 AP 2 H1 H1 • 능동 Scanning: • H1은 Probe Request frame을 보낸다(Broadcast). • AP들은 Probes response frame을 전송 • H1은 AP를 선택하여 Association Request frame을 전송 • AP는 H1에게 Association Response frame을 전송 • 수동 Scanning: • AP들로부터 beacon frames를 수신 • H1은 AP를 선택하여 association Request frame을 전송: • AP는 H1에게 association Response frame를 전송 6: Wireless and Mobile Networks

  18. B A C C C’s signal strength A’s signal strength B A space IEEE 802.11: 다중 접속 방식 • 2개 이상의 노드가 동시에 전송할 때 충돌(collision) 발생 • 802.3: CSMA/CD • 충돌 탐지(Collision detection) • 802.11: no collision detection(CD)! • 충돌이 발생한 것을 인식(sensing)하는 것이 힘들다:weak received signal 때문(fading) • 어떤 경우에는 CD가 불가능한다: hidden terminal • 따라서 충돌 회피: CSMA/C(ollision)A(voidance) 6: Wireless and Mobile Networks

  19. Hidden terminal 문제 • B가 전송을 하고 있을 때 C가 전송을 하려고 한다고 하자. • C는 누가 전송 중인지 확인하려고 하지만 B의 신호 범위 밖에 있기 때문에 B가 전송 중인지 모른다. 따라서 아무도 전송을 하지 않는 것으로 생각하고 전송을 한다. 따라서 충돌 발생.

  20. CSMA/CA: Avoiding collision idea:데이터 전송을 하기 전에 미리 채널을 누가 사용하고 있지 않는지 확인한다.(Carrier Sensing) 그리고 채널을 예약한다.(collision avoidance) • Sender는 먼저 request-to-send (RTS) 패킷을 BS에 송신 • RTS 프레임들끼리 충돌할 수 있으므로 CSMA 사용 • RTS는 짧은 길이의 패킷 • BS는 RTS에 대한 응답으로 clear-to-send(CTS) 패킷을 브로드캐스트한다. • 모든 노드들은 CTS를 수신한다. • 자신의 RTS에 대한 CTS를 수신한 호스트는data 프레임을 전송. • 다른 호스트들은 전송을 보류한다. • RTS 프레임에는 채널을 사용하는데 필요한 시간이 포함되어 있다. 따라서 RTS(CTS)를 수신한 스테이션들은 NAV라는 타이머를 동작시키고 이 시간 동안 전송을 연기한다. 6: Wireless and Mobile Networks

  21. RTS(B) RTS(A) reservation collision RTS(A) CTS(A) CTS(A) DATA (A) ACK(A) ACK(A) Collision Avoidance: RTS-CTS 교환 B A AP defer time 6: Wireless and Mobile Networks

  22. 6 4 2 2 6 6 6 2 0 - 2312 frame control duration address 1 address 2 address 3 address 4 payload CRC seq control 802.11 frame: 주소 Address 4: ad hoc 모드에서 사용 Address 1:무선 호스트의 MAC 주소혹은이 프레임을 수신한 AP의 주소 Address 3: AP가 접속된 라우터 인터페이스의 MAC 주소 Address 2:무선 호스트의 MAC 주소혹은이 프레임을 전송한 AP의 주소 6: Wireless and Mobile Networks

  23. router AP Internet R1 MAC addr H1 MAC addr source address dest. address 802.3frame AP MAC addr H1 MAC addr R1 MAC addr address 3 address 2 address 1 802.11 frame 802.11 frame: 주소 H1 R1 6: Wireless and Mobile Networks

  24. 6 4 2 2 6 6 6 2 0 - 2312 frame control duration address 1 address 2 address 3 address 4 payload CRC seq control 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1 Protocol version Type Subtype To AP From AP More frag Retry Power mgt More data WEP Rsvd 802.11 frame 프레임 일련 번호(for RDT) 예약된 전송 시간의 길이(RTS/CTS) 프레임 유형 (RTS, CTS, ACK, data) 6: Wireless and Mobile Networks

  25. BS와 MH는 SNR의 변화에 따라 전송 속도를 변경한다. (물리 계층의 modulation 기술) 802.11: 속도 조절(Rate Adaptation) 10-1 10-2 10-3 BER 10-4 10-5 10-6 10-7 10 20 30 40 SNR(dB) 1. MH가 BS로부터 멀어지면 SNR 감소, BER 증가. QAM256 (8 Mbps) QAM16 (4 Mbps) 2. BER이 너무 커지면 전송 속도를 낮춘다. BPSK (1 Mbps) operating point 6: Wireless and Mobile Networks

  26. 802.11: Power 관리 • 노드는 AP에게 수면 상태로 들어갈 것임을 알린다. • AP는 수면 상태에 들어간 노드에게 프레임을 전송하지 않는다. 대신 버퍼에 프레임을 저장 • 노드는 다음 beacon 프레임이 도착하기 전에 깨어난다. • Beacon 프레임은 전송할 프레임이 있는 노드의 주소를 포함 • 만약 자신이 수신할 데이터가 없으면 노드는 다시 수면 모드로 들어간다. • Beacon 프레임 전송 간격: 100msec • 수면시간에서 동작 시간으로 전환: 250usec 6: Wireless and Mobile Networks

  27. P P P P P M M Master device Slave device Parked device (inactive) S S S S 802.15: personal area network(PAN) • 10 m 이하의 거리 • 케이블을 대체한다.(mouse, keyboard, headphones) • ad hoc 네트워크 • master/slaves: • Slaves는 master에 전송 승인을 요청한다. • Master는 이 요청에 승인한다. • 802.15: Bluetooth • 2.4-2.5 GHz radio band • up to 721 kbps radius of coverage 6: Wireless and Mobile Networks

  28. Bluetooth • Bluetooth 망은 piconet이라고 부른다. • Piconet은 8개의 스테이션으로 구성 • 1개의 master(primary), 7개의 slaves(secondary) • Primary와 secondary의 통신은 1대1, 혹은 1대 다수

  29. Bluethooth의 MAC • TDMA 사용 • 기본적으로 polling 방식과 유사하다. 625ms 366ms

  30. 802.16: WiMAX point-to-point • 802.16 표준 • 802.16e: fixed WiMAX • 802.16d: mobile WiMAX(WiBro) • 무선 인터넷 가입자망을 목표로 함 • 반경: ~45Km(802.16e) • 속도: 30-40Mbps • base station 존재 • BS와 MH는 omnidirectional antenna를 사용하여 전송 • BS와 BS는 p-to-p 안테나 사용 point-to-multipoint 6: Wireless and Mobile Networks

  31. 6.1 개요 Wireless 6.2 무선 링크 특징 6.3 IEEE 802.11 wireless LANs (“wi-fi”) 6.4 셀룰러 망 구조 표준 CDMA Chapter 6 목차 6: Wireless and Mobile Networks

  32. cells을 공중 광역망에 연결 • 호 설정 관리 • 이동 관리 Mobile Switching Center Mobile Switching Center • base station (BS) • mobile users • air-interface: 공중 전화망 인터넷 MSC cell wired network 셀룰러 네트워크의 구성 6: Wireless and Mobile Networks

  33. time slots frequency bands 셀룰러 망: 무선 접속 방식 mobile-to-BS의 주파수를 공유하여 전송하는 방법 • FDMA/TDMA • CDMA: code division multiple access 6: Wireless and Mobile Networks

  34. Code Division Multiple Access (CDMA) • cellular network에서 사용하는 다중 접속 방식(MAC) • 모든 사용자는 동일한 주파수를 사용한다. 하지만 데이터를 encoding/decoding하기 위한 고유의 “chip sequence”를 갖고 있다. • encoded signal = (original data) X (chipping sequence) • decoding: inner-product of encoded signal과 chip sequence의 inner-product를 chip sequence의 수(M)로 나눈 값 6: Wireless and Mobile Networks

  35. 데이터 표현

  36. Chip Sequence 1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 Sender 1 1 -1 1 1 1 -1 1 1 Sender 2

  37. CDMA의 예: 2개의 sender 6: Wireless and Mobile Networks

  38. Chip sequence는 어떻게 만드나?

  39. 셀룰러 망의 표준 무선 접속 방식 2G:음성 채널 • IS-136 TDMA: FDMA/TDMA의 결합 (북미) • GSM (global system for mobile communications): FDMA/TDMA의 결합 • 가장 널리 사용 • IS-95 CDMA: code division multiple access TDMA/FDMA CDMA-2000 EDGE GPRS UMTS IS-95 IS-136 GSM 6: Wireless and Mobile Networks

  40. 1G 2G 2.5G 3G 3.5G D-AMPS GSM HSDPA GPRS EDGE WCDMA AMPS TDMA/FDMA 30kbps 384kbps 144kbps 384kbps 2Mbps 10Mbps 2007년 Analog (FDMA) 9.6kbps 8Kbps IS-95 CDMA IS-95A IS-95B CDMA1x- EVDO 14.4kbps 64kbps 2.4Mbps 2003년 1992년 결정 1996년 개시 WiBro 18Mbps Wi-Fi 54Mbps

  41. 2.5G 2.5 G systems:음성과 데이터 채널 • 3G로 이행하기 전 단계에서 데이터 전송 속도를 높일 목적으로 만듬: 2G 확장 • general packet radio service (GPRS) • GSM에서 진화 • Data는 다중 채널을 통해서 전송(if available) • enhanced data rates for global evolution (EDGE) • GSM에서 진화, 발전된 modulation 기술 사용 • data 속도는 384K까지 • CDMA-2000 1x (phase 1) • data 속도는 144K까지 • IS-95에서 진화 6: Wireless and Mobile Networks

  42. SKT, KTF LGT CDMA 1X EV CDMA 1x EVDO:데이터 전송 속도는 2.4Mbps까지 contents providers EVDO Evolution Data Only Evolution data and Voice EVDV

  43. 3G: IMT-2000 • 1992년부터 추진: ITU는 Internet Mobile Communication for year 2000 계획 발표 • 음성 품질은 PSTN 수준으로 • 데이터 전송 속도는 • 이동 차량에서는, 보행자는384kbps for pedestrians, 비이동 사용자는2Mbps • packet-switched와 circuit-switched 데이터 서비스 지원 • 2GHz (1.885-2.025GHz, 2.100-2.200GHz) 대역 사용 • 대역폭은 2MHz • 인터넷 접속 지원 • 유럽에서는 UMTS로 불리었고, 일반적인 이름으로International Moblie Telecommunication 2000(IMT-2000)으로 불림

  44. Synchronous vs. Asynchronous • CDMA 2000: • synchronous모든 base channel은 GPS(Global Positioning System)와 동기화 • 주로 북미에서 사용 • W-CDMA: • asynchronous • Europe에서 사용

  45. 3.5G 3G systems:음성/데이터 • Universal Mobile Telecommunications Service (UMTS) • data 속도: High Speed Uplink/Downlink packet Access (HSDPA/HSUPA): 14.4Mbps up, 2Mbps up • WiBro • 한국에서 제안 • 18Mbps 6: Wireless and Mobile Networks

  46. HSDPA

  47. Wireless MAN • IEEE 802.16 • 802.16: LOS is required • 802.16.1a • LOS not required • 11GHz • 802.16e (WiBro) • Support mobility and roaming

  48. WiBro vs. HSDPA

  49. 4G • LTE(Long Term Evolution) • orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) 사용 • 100Mbps down, 30Mbps up(?) 6: Wireless and Mobile Networks

  50. 6: Wireless and Mobile Networks

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